कण त्वरक: Difference between revisions
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'''कण त्वरक''' एक ऐसी मशीन है जो [[:hi:विद्युत आवेश|आवेशित]] [[:hi:कण|कणों]] को बहुत तेज गति और ऊर्जा तक प्रेरित करने और उन्हें अच्छी तरह से परिभाषित किरण में समाविष्ट करने के लिए [[:hi:विद्युतचुम्बकीय क्षेत्र|विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों]] का उपयोग करती है। <ref>{{Cite book|last=Livingston|first=M. S.|author-link=Milton Stanley Livingston|last2=Blewett|first2=J.|year=1969|title=Particle Accelerators|publisher=[[McGraw-Hill]]|location=New York|isbn=978-1-114-44384-6}}</ref> | '''कण त्वरक''' एक ऐसी मशीन है जो [[:hi:विद्युत आवेश|आवेशित]] [[:hi:कण|कणों]] को बहुत तेज गति और ऊर्जा तक प्रेरित करने और उन्हें अच्छी तरह से परिभाषित किरण में समाविष्ट करने के लिए [[:hi:विद्युतचुम्बकीय क्षेत्र|विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों]] का उपयोग करती है। <ref>{{Cite book|last=Livingston|first=M. S.|author-link=Milton Stanley Livingston|last2=Blewett|first2=J.|year=1969|title=Particle Accelerators|publisher=[[McGraw-Hill]]|location=New York|isbn=978-1-114-44384-6}}</ref> | ||
[[ | [[कण भौतिकी]] में मौलिक अनुसंधान के लिए बड़े त्वरक का उपयोग किया जाता है। वर्तमान में संचालित सबसे बड़ा त्वरक जिनेवा, स्विटजरलैंड के निकट बड़े हैड्रॉन [[कोलाइडर]] एलएचसी (LHC) है, जिसे सीईआरएन द्वारा संचालित किया जाता है। यह एक [[:hi:कोलाइडर (त्वरक)|कोलाइडर]] त्वरक है, जो प्रोटॉन के दो किरणों को 6.5 टीईवी (TEV) की ऊर्जा तक बढ़ा सकता है। और उन्हें 13 टीईवी (TEV) की केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा बनाने के लिए आमने-सामने टकराने का कारण बनता है। अन्य शक्तिशाली त्वरक हैं, न्यूयॉर्क में ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में आरएचआईसी और पूर्व में फ़र्मिलाब, बटाविया, इलिनोइस में टेवाट्रॉन। संघनित पदार्थ भौतिकी के अध्ययन के लिए त्वरक का उपयोग सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोतों के रूप में भी किया जाता है। छोटे कण त्वरक का उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिसमें ऑन्कोलॉजिकल उद्देश्यों के लिए कण चिकित्सा, चिकित्सा निदान के लिए रेडियोसमस्थानिक उत्पादन, अर्धचालक के निर्माण के लिए आयन प्रत्यारोपणकर्ता और रेडियोकार्बन जैसे दुर्लभ समस्थानिक के माप के लिए त्वरक द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर शामिल हैं। वर्तमान में दुनिया भर में 30,000 से अधिक त्वरक संचालन में हैं। <ref>{{Cite web|last=Witman|first=Sarah|title=Ten things you might not know about particle accelerators|url=http://www.symmetrymagazine.org/article/april-2014/ten-things-you-might-not-know-about-particle-accelerators|website=Symmetry Magazine|publisher=[[Fermi National Accelerator Laboratory]]|access-date=21 April 2014}}</ref> | ||
त्वरक के दो मूलभूत वर्ग हैं। इलेक्ट्रोस्टैटिक और विद्युत गतिकी (या विद्युत चुम्बकीय) त्वरक। <ref>{{Cite book|last=Humphries|first=Stanley|year=1986|url=https://archive.org/details/principlescharge00hump/page/4|title=Principles of Charged Particle Acceleration|page=[https://archive.org/details/principlescharge00hump/page/4 4]|publisher=[[Wiley-Interscience]]|isbn=978-0471878780}}</ref> ''[[:hi:इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक|इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक कणों]]'' को तेज करने के लिए स्थिर [[:hi:विद्युत्-क्षेत्र|विद्युत क्षेत्रों]] का उपयोग करते हैं। सबसे सामान्य प्रकार [[:hi:कॉकरॉफ्ट-वाल्टन जनित्र|कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर]] और [[:hi:वान डी ग्राफ़ जेनरेटर|वैन डी ग्रैफ जनरेटर हैं]] । इस वर्ग का एक छोटा-सा उदाहरण एक साधारण पुराने टेलीविजन सेट में [[:hi:कैथोड किरण नलिका|कैथोड रे नलिका]] है। इन उपकरणों में कणों के लिए प्राप्त करने योग्य [[:hi:गतिज ऊर्जा|गतिज ऊर्जा]] त्वरित [[:hi:विभवांतर|वोल्टेज]] द्वारा निर्धारित की जाती है, जो [[:hi:विद्युत टूटना|विद्युत व्यवधान]] से सीमित होती है। दूसरी ओर ''विद्युत गतिकी'' या ''विद्युत चुम्बकीय'' त्वरक कणों को तेज करने के लिए बदलते विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र (या तो [[:hi:विद्युत्-चुम्बकीय प्रेरण|चुंबकीय प्रेरण]] या दोलन [[:hi:रेडियो आवृत्ति|रेडियो आवृत्ति]] क्षेत्र) का उपयोग करते हैं। चूंकि इन प्रकारों में कण एक ही त्वरित क्षेत्र से कई बार गुजर सकते हैं, इसलिए उत्पादन ऊर्जा त्वरित क्षेत्र के सामर्थ्य से सीमित नहीं है। यह वर्ग, जिसे पहली बार 1920 के दशक में विकसित किया गया था, अधिकांश आधुनिक बड़े पैमाने के त्वरक का आधार है। | त्वरक के दो मूलभूत वर्ग हैं। इलेक्ट्रोस्टैटिक और विद्युत गतिकी (या विद्युत चुम्बकीय) त्वरक। <ref>{{Cite book|last=Humphries|first=Stanley|year=1986|url=https://archive.org/details/principlescharge00hump/page/4|title=Principles of Charged Particle Acceleration|page=[https://archive.org/details/principlescharge00hump/page/4 4]|publisher=[[Wiley-Interscience]]|isbn=978-0471878780}}</ref> ''[[:hi:इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक|इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक कणों]]'' को तेज करने के लिए स्थिर [[:hi:विद्युत्-क्षेत्र|विद्युत क्षेत्रों]] का उपयोग करते हैं। सबसे सामान्य प्रकार [[:hi:कॉकरॉफ्ट-वाल्टन जनित्र|कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर]] और [[:hi:वान डी ग्राफ़ जेनरेटर|वैन डी ग्रैफ जनरेटर हैं]] । इस वर्ग का एक छोटा-सा उदाहरण एक साधारण पुराने टेलीविजन सेट में [[:hi:कैथोड किरण नलिका|कैथोड रे नलिका]] है। इन उपकरणों में कणों के लिए प्राप्त करने योग्य [[:hi:गतिज ऊर्जा|गतिज ऊर्जा]] त्वरित [[:hi:विभवांतर|वोल्टेज]] द्वारा निर्धारित की जाती है, जो [[:hi:विद्युत टूटना|विद्युत व्यवधान]] से सीमित होती है। दूसरी ओर ''विद्युत गतिकी'' या ''विद्युत चुम्बकीय'' त्वरक कणों को तेज करने के लिए बदलते विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र (या तो [[:hi:विद्युत्-चुम्बकीय प्रेरण|चुंबकीय प्रेरण]] या दोलन [[:hi:रेडियो आवृत्ति|रेडियो आवृत्ति]] क्षेत्र) का उपयोग करते हैं। चूंकि इन प्रकारों में कण एक ही त्वरित क्षेत्र से कई बार गुजर सकते हैं, इसलिए उत्पादन ऊर्जा त्वरित क्षेत्र के सामर्थ्य से सीमित नहीं है। यह वर्ग, जिसे पहली बार 1920 के दशक में विकसित किया गया था, अधिकांश आधुनिक बड़े पैमाने के त्वरक का आधार है। | ||
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=== परमाणु भौतिकी और समस्थानिक उत्पादन === | === परमाणु भौतिकी और समस्थानिक उत्पादन === | ||
[[ | [[परमाणु भौतिकी|परमाणु भौतिक विज्ञानी]] और [[:hi:ब्रह्माण्डविद्या|ब्रह्मांड]] विज्ञानी अनाच्छादित [[:hi:परमाणु नाभिक|परमाणु नाभिक]] की किरण का उपयोग कर सकते हैं, इलेक्ट्रॉनों से वंचित, स्वयं नाभिक की संरचना, अंतःक्रियाओं और गुणों की जांच करने के लिए, और अत्यधिक उच्च तापमान और घनत्व पर [[:hi:संघनित द्रव्य भौतिकी|संघनित पदार्थ]] का उपयोग कर सकते हैं, जैसे कि [[:hi:महाविस्फोट सिद्धान्त|बिग बैंग]] के पहले क्षणों में हो सकता है। इन जांचों में प्रायः भारी नाभिकों की टक्कर शामिल होती है{{Snd}}[[:hi:लोहा|लोहे]] या [[:hi:सोना|सोने]] जैसे परमाणुओं के{{Snd}}कई जीईवी (GEV) प्रति [[:hi:न्यूक्लिऑन|न्यूक्लियॉन]] की ऊर्जा पर। इस तरह का सबसे बड़ा कण त्वरक [[:hi:ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला|ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला]] में [[:hi:सापेक्षतावादी भारी आयन कोलाइडर|रिलेटिविस्टिक भारी आयन कोलाइडर]] (आरएचआईसी) है। | ||
कण त्वरक प्रोटॉन किरण भी उत्पन्न कर सकते हैं, जो [[:hi:परमाणु भट्ठी|विखंडन प्रतिघातक]] में बने न्यूट्रॉन-समृद्ध के विपरीत प्रोटॉन-समृद्ध चिकित्सा या अनुसंधान [[:hi:समस्थानिक|आइसोटोप]] का उत्पादन कर सकते हैं। हालाँकि, हाल के काम ने दिखाया है कि हाइड्रोजन के त्वरक समस्थानिकों को, प्रायः रिएक्टरों में बने 99 [[:hi:मोलिब्डेनम|Mo]] को कैसे बनाया जाता है,<ref>{{Cite journal|last=Nagai|first=Y.|last2=Hatsukawa|first2=Y.|year=2009|title=Production of <sup>99</sup>Mo for Nuclear Medicine by <sup>100</sup>Mo(''n'',2''n'')<sup>99</sup>Mo|journal=[[Journal of the Physical Society of Japan]]|volume=78|issue=3|pages=033201|doi=10.1143/JPSJ.78.033201|bibcode=2009JPSJ...78c3201N}}</ref> हालांकि इस विधि में अभी भी [[:hi:ट्राइटियम|ट्रिटियम]] का उत्पादन करने के लिए एक रिएक्टर की आवश्यकता होती है। इस प्रकार की मशीन का एक उदाहरण [[:hi:लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी|लॉस एलामोस]] में लैंसे है। | कण त्वरक प्रोटॉन किरण भी उत्पन्न कर सकते हैं, जो [[:hi:परमाणु भट्ठी|विखंडन प्रतिघातक]] में बने न्यूट्रॉन-समृद्ध के विपरीत प्रोटॉन-समृद्ध चिकित्सा या अनुसंधान [[:hi:समस्थानिक|आइसोटोप]] का उत्पादन कर सकते हैं। हालाँकि, हाल के काम ने दिखाया है कि हाइड्रोजन के त्वरक समस्थानिकों को, प्रायः रिएक्टरों में बने 99 [[:hi:मोलिब्डेनम|Mo]] को कैसे बनाया जाता है,<ref>{{Cite journal|last=Nagai|first=Y.|last2=Hatsukawa|first2=Y.|year=2009|title=Production of <sup>99</sup>Mo for Nuclear Medicine by <sup>100</sup>Mo(''n'',2''n'')<sup>99</sup>Mo|journal=[[Journal of the Physical Society of Japan]]|volume=78|issue=3|pages=033201|doi=10.1143/JPSJ.78.033201|bibcode=2009JPSJ...78c3201N}}</ref> हालांकि इस विधि में अभी भी [[:hi:ट्राइटियम|ट्रिटियम]] का उत्पादन करने के लिए एक रिएक्टर की आवश्यकता होती है। इस प्रकार की मशीन का एक उदाहरण [[:hi:लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी|लॉस एलामोस]] में लैंसे है। | ||
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=== कम ऊर्जा वाली मशीनें और कण चिकित्सा === | === कम ऊर्जा वाली मशीनें और कण चिकित्सा === | ||
कण त्वरक के दैनिक उदाहरण टेलीविजन सेट और [[:hi:ऍक्स किरण|एक्स-रे]] जनरेटर में पाए जाने वाले [[ | कण त्वरक के दैनिक उदाहरण टेलीविजन सेट और [[:hi:ऍक्स किरण|एक्स-रे]] जनरेटर में पाए जाने वाले [[कैथोड रे ट्यूब|कैथोड रे नलिका]] हैं। ये कम-ऊर्जा त्वरक उनके बीच कुछ हज़ार वोल्ट के [[:hi:दिष्ट धारा|डीसी]] वोल्टेज के साथ एकल जोड़ी [[:hi:इलेक्ट्रोड|इलेक्ट्रोड]] का उपयोग करते हैं। एक्स-रे जनरेटर में, लक्ष्य स्वयं इलेक्ट्रोड में से एक होता है। कम ऊर्जा वाले कण त्वरक को आयन प्रत्यारोपणकर्ता कहा जाता है जिसका उपयोग एकीकृत सर्किट के निर्माण में किया जाता है। | ||
कम ऊर्जा पर, कैंसर के उपचार के लिए त्वरित नाभिक के पुंजों का उपयोग दवा में [[:hi:कण चिकित्सा|कण चिकित्सा]] के रूप में भी किया जाता है। | कम ऊर्जा पर, कैंसर के उपचार के लिए त्वरित नाभिक के पुंजों का उपयोग दवा में [[:hi:कण चिकित्सा|कण चिकित्सा]] के रूप में भी किया जाता है। | ||
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=== चिकित्सा उपकरणों का विकिरण विसंक्रमण === | === चिकित्सा उपकरणों का विकिरण विसंक्रमण === | ||
[[: | [[:en:Electron-beam_processing|इलेक्ट्रॉन किरण प्रसंस्करण]] सामान्यतः विसंक्रमण के लिए उपयोग किया जाता है। [[:hi:कैथोड किरणें|इलेक्ट्रॉन]] [[:hi:इलेक्ट्रॉन-पुंज प्रक्रमण|किरण]] एक चालु-बंद तकनीक है जो [[:hi:कोबाल्ट-६०|कोबाल्ट -60]] ( <sup>60</sup> Co) या [[:hi:सीज़ियम-137|सीज़ियम -137]] ( <sup>137</sup> Cs) जैसे [[:hi:विकिरण समस्थानिक|रेडियोआइसोटोप]] द्वारा उत्सर्जित गामा या एक्स-रे की तुलना में बहुत अधिक मात्रा दर प्रदान करता है। उच्च मात्रा दर के कारण, कम अनावृत्ति समय की आवश्यकता होती है और बहुलक क्षरण कम हो जाता है। चूंकि [[:hi:इलेक्ट्रॉन|इलेक्ट्रॉनों]] में आवेश होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉन किरण गामा और एक्स-रे दोनों की तुलना में कम मर्मज्ञ होती हैं। <ref>{{Cite web|url=https://lss.fnal.gov/archive/2019/conf/fermilab-conf-19-574-di.pdf|title=2019 Midwest Medical Device Sterilization Workshop: Summary Report|date=November 2019|publisher=United States [[United States Department of Energy|Department of Energy]]}}</ref> | ||
== इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक == | == इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक == | ||
[[File:Cockcroft–Walton generator.jpg|thumb|150px|एक कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर (फिलिप्स, 1937), विज्ञान संग्रहालय (लंदन) में संग्रहीत है।.]] | [[File:Cockcroft–Walton generator.jpg|thumb|150px|एक कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर (फिलिप्स, 1937), विज्ञान संग्रहालय (लंदन) में संग्रहीत है।.]] | ||
[[Image:2mv accelerator-MJC01.jpg|thumb|250px|left|upright=2|1960 के दशक का एकल चरण 2 एमईवी रैखिक वैन डे ग्रैफ़ त्वरक, यहां रखरखाव के लिए ]] ऐतिहासिक रूप से, पहले त्वरक ने आवेशित कणों को गति देने के लिए एकल स्थिर उच्च वोल्टेज की सरल तकनीक का उपयोग किया। आवेशित कण को एक खाली ट्यूब के माध्यम से त्वरित किया गया था, जिसके दोनों ओर एक इलेक्ट्रोड था, जिसके पार स्थिर क्षमता थी। चूंकि कण केवल एक बार संभावित अंतर से गुजरा, इसलिए आउटपुट ऊर्जा मशीन के त्वरित वोल्टेज तक सीमित थी। हालांकि यह विधि आज भी बहुत लोकप्रिय है, इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक किसी भी अन्य प्रकार से बहुत अधिक संख्या में हैं, वे वायु विद्युत-रोधित मशीनों के लिए लगभग 1 एमवी की व्यावहारिक वोल्टेज सीमा या त्वरक के समय 30 एमवी की व्यावहारिक वोल्टेज सीमा के कारण कम ऊर्जा अध्ययन के लिए अधिक उपयुक्त हैं। [[: | [[Image:2mv accelerator-MJC01.jpg|thumb|250px|left|upright=2|1960 के दशक का एकल चरण 2 एमईवी रैखिक वैन डे ग्रैफ़ त्वरक, यहां रखरखाव के लिए ]] ऐतिहासिक रूप से, पहले त्वरक ने आवेशित कणों को गति देने के लिए एकल स्थिर उच्च वोल्टेज की सरल तकनीक का उपयोग किया। आवेशित कण को एक खाली ट्यूब के माध्यम से त्वरित किया गया था, जिसके दोनों ओर एक इलेक्ट्रोड था, जिसके पार स्थिर क्षमता थी। चूंकि कण केवल एक बार संभावित अंतर से गुजरा, इसलिए आउटपुट ऊर्जा मशीन के त्वरित वोल्टेज तक सीमित थी। हालांकि यह विधि आज भी बहुत लोकप्रिय है, इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक किसी भी अन्य प्रकार से बहुत अधिक संख्या में हैं, वे वायु विद्युत-रोधित मशीनों के लिए लगभग 1 एमवी की व्यावहारिक वोल्टेज सीमा या त्वरक के समय 30 एमवी की व्यावहारिक वोल्टेज सीमा के कारण कम ऊर्जा अध्ययन के लिए अधिक उपयुक्त हैं। [[:en:Sulfur_hexafluoride|सल्फर हेक्साफ्लोराइड]] जैसे उच्च [[:hi:परावैद्युत सामर्थ्य|अचालक सामर्थ्य]] दबाव वाले गैस के टैंक में संचालित होता है। एक ''अग्रानुक्रम त्वरक'' में कणों के आवेश को उलट कर, जब वे टर्मिनल के अंदर होते हैं, कणों को गति देने के लिए क्षमता का दो बार उपयोग किया जाता है। यह [[:hi:आयन|आयनों]] (नकारात्मक रूप से आवेशित किए गए [[:hi:आयन|आयनों]] ) का उपयोग करके [[:hi:परमाणु नाभिक|परमाणु नाभिक]] के त्वरण के साथ संभव है,और फिर उच्च वोल्टेज टर्मिनल के अंदर आयनों से इलेक्ट्रॉनों को अलग करने के लिए किरण को एक पतली पन्नी के माध्यम से पारित करना, उन्हें धनायनों (सकारात्मक रूप से आवेशित किए गए आयनों) में परिवर्तित करना, जो जैसे ही वे टर्मिनल छोड़ते हैं, फिर से तेज हो जाते हैं। | ||
इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक के दो मुख्य प्रकार हैं [[:hi:कॉकरॉफ्ट-वाल्टन जनित्र|कॉक्रॉफ्ट-वाल्टन त्वरक]], जो उच्च वोल्टेज का उत्पादन करने के लिए डायोड-संधारित्र वोल्टेज गुणक का उपयोग करता है, और [[:hi:वान डी ग्राफ़ जेनरेटर|वैन डी ग्रैफ त्वरक]], जो उच्च वोल्टेज इलेक्ट्रोड को आवेशित करने के लिए गतिशील तन्तु बेल्ट का उपयोग करता है। यद्यपि इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक एक सीधी रेखा के साथ कणों को गति देते हैं, रैखिक त्वरक शब्द का उपयोग प्रायः त्वरक के लिए किया जाता है जो स्थैतिक विद्युत क्षेत्रों के स्थान पर दोलन करते हैं। | इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक के दो मुख्य प्रकार हैं [[:hi:कॉकरॉफ्ट-वाल्टन जनित्र|कॉक्रॉफ्ट-वाल्टन त्वरक]], जो उच्च वोल्टेज का उत्पादन करने के लिए डायोड-संधारित्र वोल्टेज गुणक का उपयोग करता है, और [[:hi:वान डी ग्राफ़ जेनरेटर|वैन डी ग्रैफ त्वरक]], जो उच्च वोल्टेज इलेक्ट्रोड को आवेशित करने के लिए गतिशील तन्तु बेल्ट का उपयोग करता है। यद्यपि इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक एक सीधी रेखा के साथ कणों को गति देते हैं, रैखिक त्वरक शब्द का उपयोग प्रायः त्वरक के लिए किया जाता है जो स्थैतिक विद्युत क्षेत्रों के स्थान पर दोलन करते हैं। | ||
==विद्युत गतिकी (विद्युत चुम्बकीय) कण त्वरक== | ==विद्युत गतिकी (विद्युत चुम्बकीय) कण त्वरक== | ||
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जैसे-जैसे कण प्रकाश की गति के समीप पहुंचते हैं, विद्युत क्षेत्रों की बदलाव दर इतनी अधिक हो जाती है कि वे [[:hi:रेडियो आवृत्ति|रेडियो आवृत्ति]] पर काम करते हैं, और इसलिए साधारण प्लेटों के स्थान पर उच्च ऊर्जा मशीनों में [[:hi:सूक्ष्मतरंग कोटर|माइक्रोवेव गुहाओं]] का उपयोग किया जाता है। | जैसे-जैसे कण प्रकाश की गति के समीप पहुंचते हैं, विद्युत क्षेत्रों की बदलाव दर इतनी अधिक हो जाती है कि वे [[:hi:रेडियो आवृत्ति|रेडियो आवृत्ति]] पर काम करते हैं, और इसलिए साधारण प्लेटों के स्थान पर उच्च ऊर्जा मशीनों में [[:hi:सूक्ष्मतरंग कोटर|माइक्रोवेव गुहाओं]] का उपयोग किया जाता है। | ||
[ | [https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_therapy|'''रेडियोथेरेपी'''] और [https://en.wikipedia.org/wiki/Radiosurgery|'''रेडियोसर्जरी'''] के लिए रैखिक त्वरक का व्यापक रूप से दवा में उपयोग किया जाता है। चिकित्सा श्रेणी लिनेक्स एक क्लिस्ट्रॉन और एक जटिल झुकने वाली चुंबक व्यवस्था का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को गति प्रदान करता है जो 6-30 एमईवी ऊर्जा की किरण उत्पन्न करता है। इलेक्ट्रॉनों का सीधे उपयोग किया जा सकता है या उन्हें एक्स-रे की किरण बनाने के लिए लक्ष्य से टकराया जा सकता है। उत्पादित विकिरण किरण की विश्वसनीयता, लचीलेपन और सटीकता ने उपचार उपकरण के रूप में कोबाल्ट -60 चिकित्सा के पुराने उपयोग को काफी हद तक समाप्त कर दिया है। | ||
=== परिपत्र या चक्रीय आरएफ त्वरक === | === परिपत्र या चक्रीय आरएफ त्वरक === | ||
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भविष्य में, उच्चतम ऊर्जा त्वरक पर ब्लैक होल के उत्पादन की संभावना उत्पन्न हो सकती है यदि [[:hi:सुपरस्ट्रिंग सिद्धांत|सुपरस्ट्रिंग सिद्धांत]] की कुछ भविष्यवाणियां सटीक हों। <ref>{{Cite web|date=July 2004|title=An Interview with Dr. Steve Giddings|url=http://www.esi-opics.com/blackholes/interviews/SteveGiddings.html|website=[[Essential Science Indicators|ESI Special Topics]]|publisher=[[Thomson Reuters]]|access-date=2014-08-02|archive-date=2017-10-16|archive-url=https://web.archive.org/web/20171016230038/http://www.esi-opics.com/blackholes/interviews/SteveGiddings.html}}</ref> <ref>{{Cite journal|last=Chamblin|first=A.|last2=Nayak|first2=G. C.|year=2002|title=Black hole production at the CERN LHC: String balls and black holes from pp and lead-lead collisions|journal=[[Physical Review D]]|volume=66|issue=9|pages=091901|doi=10.1103/PhysRevD.66.091901|arxiv=hep-ph/0206060|bibcode=2002PhRvD..66i1901C}}</ref> इस और अन्य संभावनाओं ने [[:hi:लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर पर कण टकराव की सुरक्षा|सार्वजनिक सुरक्षा चिंताओं]] को जन्म दिया है जो कि [[:hi:लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर|एलएचसी]] के संबंध में व्यापक रूप से रिपोर्ट की गई है, जिसने 2008 में संचालन प्रारंभ किया था। विभिन्न संभावित खतरनाक परिदृश्यों का मूल्यांकन नवीनतम जोखिम मूल्यांकन में "कोई बोधगम्य खतरा नहीं" पेश करने के रूप में किया गया है। एलएचसी सुरक्षा आकलन समूह।<ref name="LSAGreport2">{{Cite journal|last=Ellis|first=J. [[Large Hadron Collider|LHC Safety Assessment Group]]|date=5 September 2008|title=Review of the Safety of LHC Collisions|url=http://lsag.web.cern.ch/lsag/LSAG-Report.pdf|journal=[[Journal of Physics G]]|volume=35|issue=11|pages=115004|arxiv=0806.3414|doi=10.1088/0954-3899/35/11/115004|id=[http://cdsweb.cern.ch/record/1111112?ln=fr CERN record]|bibcode=2008JPhG...35k5004E|displayauthors=etal}}</ref> यदि ब्लैक होल उत्पन्न होते हैं, तो सैद्धांतिक रूप से यह भविष्यवाणी की जाती है कि ऐसे छोटे ब्लैक होल [[:hi:हॉकिंग विकिरण|बेकेनस्टीन-हॉकिंग विकिरण के]] माध्यम से बहुत तेज़ी से वाष्पित हो जाएंगे, लेकिन जो अभी तक प्रयोगात्मक रूप से अपुष्ट है। यदि कोलाइडर ब्लैक होल उत्पन्न कर सकते हैं, तो [[:hi:ब्रह्माण्ड किरण|कॉस्मिक किरणें]] (और विशेष रूप से [[:hi:अल्ट्रा-हाई-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरण|अल्ट्रा-हाई-एनर्जी कॉस्मिक किरणें]], यूएचईसीआर) उन्हें युगो से उत्पन्न कर रही होंगी, लेकिन उन्होंने अभी तक किसी को नुकसान नहीं पहुंचाया है। <ref name="jaffe2">{{Cite journal|last=Jaffe|title=Review of Speculative "Disaster Scenarios" at RHIC|doi=10.1103/RevModPhys.72.1125|arxiv=hep-ph/9910333|pages=1125–1140|issue=4|volume=72|journal=[[Reviews of Modern Physics]]|year=2000|first=R.|first4=F.|last4=Wilczek|first3=J.|last3=Sandweiss|first2=W.|last2=Busza|bibcode=2000RvMP...72.1125J}}</ref> यह तर्क दिया गया है कि ऊर्जा और गति के संरक्षण के लिए, यूएचईसीआर और स्थानीय पदार्थ के बीच टकराव में बनाए गए किसी भी ब्लैक होल को पृथ्वी के संबंध में सापेक्ष गति से आगे बढ़ते हुए उत्पादित किया जाएगा, और अंतरिक्ष में बच जाना चाहिए, क्योंकि उनकी वृद्धि और विकास दर को बहुत धीमा होना चाहिए, जबकि कोलाइडर (समान द्रव्यमान के घटकों के साथ) में उत्पन्न ब्लैक होल में पृथ्वी से बचने के वेग से कम वेग होने की कुछ संभावना होगी, 11.2 किमी प्रति सेकंड, और कब्जा करने और बाद में विकास के लिए उत्तरदायी होगा। फिर भी ऐसे परिदृश्यों पर भी सफेद वामनोंऔर न्यूट्रॉन सितारों के साथ यूएचईसीआर के टकराव से उनका तेजी से विनाश होगा, लेकिन इन निकायों को सामान्य खगोलीय पिंडों के रूप में देखा जाता है। इस प्रकार यदि स्थिर सूक्ष्म ब्लैक होल का उत्पादन किया जाना चाहिए, तो उन्हें सौर मंडल के प्राकृतिक जीवनकाल में किसी भी ध्यान देने योग्य मैक्रोस्कोपिक प्रभाव पैदा करने के लिए बहुत धीमी गति से बढ़ना चाहिए। <ref name="LSAGreport2" /> | भविष्य में, उच्चतम ऊर्जा त्वरक पर ब्लैक होल के उत्पादन की संभावना उत्पन्न हो सकती है यदि [[:hi:सुपरस्ट्रिंग सिद्धांत|सुपरस्ट्रिंग सिद्धांत]] की कुछ भविष्यवाणियां सटीक हों। <ref>{{Cite web|date=July 2004|title=An Interview with Dr. Steve Giddings|url=http://www.esi-opics.com/blackholes/interviews/SteveGiddings.html|website=[[Essential Science Indicators|ESI Special Topics]]|publisher=[[Thomson Reuters]]|access-date=2014-08-02|archive-date=2017-10-16|archive-url=https://web.archive.org/web/20171016230038/http://www.esi-opics.com/blackholes/interviews/SteveGiddings.html}}</ref> <ref>{{Cite journal|last=Chamblin|first=A.|last2=Nayak|first2=G. C.|year=2002|title=Black hole production at the CERN LHC: String balls and black holes from pp and lead-lead collisions|journal=[[Physical Review D]]|volume=66|issue=9|pages=091901|doi=10.1103/PhysRevD.66.091901|arxiv=hep-ph/0206060|bibcode=2002PhRvD..66i1901C}}</ref> इस और अन्य संभावनाओं ने [[:hi:लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर पर कण टकराव की सुरक्षा|सार्वजनिक सुरक्षा चिंताओं]] को जन्म दिया है जो कि [[:hi:लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर|एलएचसी]] के संबंध में व्यापक रूप से रिपोर्ट की गई है, जिसने 2008 में संचालन प्रारंभ किया था। विभिन्न संभावित खतरनाक परिदृश्यों का मूल्यांकन नवीनतम जोखिम मूल्यांकन में "कोई बोधगम्य खतरा नहीं" पेश करने के रूप में किया गया है। एलएचसी सुरक्षा आकलन समूह।<ref name="LSAGreport2">{{Cite journal|last=Ellis|first=J. [[Large Hadron Collider|LHC Safety Assessment Group]]|date=5 September 2008|title=Review of the Safety of LHC Collisions|url=http://lsag.web.cern.ch/lsag/LSAG-Report.pdf|journal=[[Journal of Physics G]]|volume=35|issue=11|pages=115004|arxiv=0806.3414|doi=10.1088/0954-3899/35/11/115004|id=[http://cdsweb.cern.ch/record/1111112?ln=fr CERN record]|bibcode=2008JPhG...35k5004E|displayauthors=etal}}</ref> यदि ब्लैक होल उत्पन्न होते हैं, तो सैद्धांतिक रूप से यह भविष्यवाणी की जाती है कि ऐसे छोटे ब्लैक होल [[:hi:हॉकिंग विकिरण|बेकेनस्टीन-हॉकिंग विकिरण के]] माध्यम से बहुत तेज़ी से वाष्पित हो जाएंगे, लेकिन जो अभी तक प्रयोगात्मक रूप से अपुष्ट है। यदि कोलाइडर ब्लैक होल उत्पन्न कर सकते हैं, तो [[:hi:ब्रह्माण्ड किरण|कॉस्मिक किरणें]] (और विशेष रूप से [[:hi:अल्ट्रा-हाई-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरण|अल्ट्रा-हाई-एनर्जी कॉस्मिक किरणें]], यूएचईसीआर) उन्हें युगो से उत्पन्न कर रही होंगी, लेकिन उन्होंने अभी तक किसी को नुकसान नहीं पहुंचाया है। <ref name="jaffe2">{{Cite journal|last=Jaffe|title=Review of Speculative "Disaster Scenarios" at RHIC|doi=10.1103/RevModPhys.72.1125|arxiv=hep-ph/9910333|pages=1125–1140|issue=4|volume=72|journal=[[Reviews of Modern Physics]]|year=2000|first=R.|first4=F.|last4=Wilczek|first3=J.|last3=Sandweiss|first2=W.|last2=Busza|bibcode=2000RvMP...72.1125J}}</ref> यह तर्क दिया गया है कि ऊर्जा और गति के संरक्षण के लिए, यूएचईसीआर और स्थानीय पदार्थ के बीच टकराव में बनाए गए किसी भी ब्लैक होल को पृथ्वी के संबंध में सापेक्ष गति से आगे बढ़ते हुए उत्पादित किया जाएगा, और अंतरिक्ष में बच जाना चाहिए, क्योंकि उनकी वृद्धि और विकास दर को बहुत धीमा होना चाहिए, जबकि कोलाइडर (समान द्रव्यमान के घटकों के साथ) में उत्पन्न ब्लैक होल में पृथ्वी से बचने के वेग से कम वेग होने की कुछ संभावना होगी, 11.2 किमी प्रति सेकंड, और कब्जा करने और बाद में विकास के लिए उत्तरदायी होगा। फिर भी ऐसे परिदृश्यों पर भी सफेद वामनोंऔर न्यूट्रॉन सितारों के साथ यूएचईसीआर के टकराव से उनका तेजी से विनाश होगा, लेकिन इन निकायों को सामान्य खगोलीय पिंडों के रूप में देखा जाता है। इस प्रकार यदि स्थिर सूक्ष्म ब्लैक होल का उत्पादन किया जाना चाहिए, तो उन्हें सौर मंडल के प्राकृतिक जीवनकाल में किसी भी ध्यान देने योग्य मैक्रोस्कोपिक प्रभाव पैदा करने के लिए बहुत धीमी गति से बढ़ना चाहिए। <ref name="LSAGreport2" /> | ||
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Latest revision as of 15:10, 28 August 2023
कण त्वरक एक ऐसी मशीन है जो आवेशित कणों को बहुत तेज गति और ऊर्जा तक प्रेरित करने और उन्हें अच्छी तरह से परिभाषित किरण में समाविष्ट करने के लिए विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का उपयोग करती है। [1]
कण भौतिकी में मौलिक अनुसंधान के लिए बड़े त्वरक का उपयोग किया जाता है। वर्तमान में संचालित सबसे बड़ा त्वरक जिनेवा, स्विटजरलैंड के निकट बड़े हैड्रॉन कोलाइडर एलएचसी (LHC) है, जिसे सीईआरएन द्वारा संचालित किया जाता है। यह एक कोलाइडर त्वरक है, जो प्रोटॉन के दो किरणों को 6.5 टीईवी (TEV) की ऊर्जा तक बढ़ा सकता है। और उन्हें 13 टीईवी (TEV) की केंद्र-द्रव्यमान ऊर्जा बनाने के लिए आमने-सामने टकराने का कारण बनता है। अन्य शक्तिशाली त्वरक हैं, न्यूयॉर्क में ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में आरएचआईसी और पूर्व में फ़र्मिलाब, बटाविया, इलिनोइस में टेवाट्रॉन। संघनित पदार्थ भौतिकी के अध्ययन के लिए त्वरक का उपयोग सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोतों के रूप में भी किया जाता है। छोटे कण त्वरक का उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिसमें ऑन्कोलॉजिकल उद्देश्यों के लिए कण चिकित्सा, चिकित्सा निदान के लिए रेडियोसमस्थानिक उत्पादन, अर्धचालक के निर्माण के लिए आयन प्रत्यारोपणकर्ता और रेडियोकार्बन जैसे दुर्लभ समस्थानिक के माप के लिए त्वरक द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर शामिल हैं। वर्तमान में दुनिया भर में 30,000 से अधिक त्वरक संचालन में हैं। [2]
त्वरक के दो मूलभूत वर्ग हैं। इलेक्ट्रोस्टैटिक और विद्युत गतिकी (या विद्युत चुम्बकीय) त्वरक। [3] इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक कणों को तेज करने के लिए स्थिर विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करते हैं। सबसे सामान्य प्रकार कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर और वैन डी ग्रैफ जनरेटर हैं । इस वर्ग का एक छोटा-सा उदाहरण एक साधारण पुराने टेलीविजन सेट में कैथोड रे नलिका है। इन उपकरणों में कणों के लिए प्राप्त करने योग्य गतिज ऊर्जा त्वरित वोल्टेज द्वारा निर्धारित की जाती है, जो विद्युत व्यवधान से सीमित होती है। दूसरी ओर विद्युत गतिकी या विद्युत चुम्बकीय त्वरक कणों को तेज करने के लिए बदलते विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र (या तो चुंबकीय प्रेरण या दोलन रेडियो आवृत्ति क्षेत्र) का उपयोग करते हैं। चूंकि इन प्रकारों में कण एक ही त्वरित क्षेत्र से कई बार गुजर सकते हैं, इसलिए उत्पादन ऊर्जा त्वरित क्षेत्र के सामर्थ्य से सीमित नहीं है। यह वर्ग, जिसे पहली बार 1920 के दशक में विकसित किया गया था, अधिकांश आधुनिक बड़े पैमाने के त्वरक का आधार है।
रॉल्फ विडेरो, गुस्ताव इसिंग, लियो स्ज़िलार्ड, मैक्स स्टीनबेक, और अर्नेस्ट लॉरेंस को इस क्षेत्र का अग्रणी माना जाता है, जिन्होंने पहले परिचालन रैखिक कण त्वरक, [4] बीटाट्रॉन और साइक्लोट्रॉन की कल्पना की और निर्माण किया।
चूंकि प्रारंभिक त्वरक के कण किरणों का लक्ष्य प्रायः पदार्थ के एक टुकड़े के परमाणु थे, जिसका लक्ष्य परमाणु संरचना की जांच के लिए उनके नाभिक के साथ टकराव पैदा करना था, त्वरक को आमतौर पर 20 वीं शताब्दी में परमाणु स्मैशर्स के रूप में संदर्भित किया जाता था। [5] यह शब्द इस तथ्य के बावजूद बना रहता है कि कई आधुनिक त्वरक एक कण और एक परमाणु नाभिक के स्थान पर दो उप- परमाणु कणों के बीच टकराव पैदा करते हैं। [6] [7] [8]
उपयोग
उच्च-ऊर्जा कणों की किरणें विज्ञान में मौलिक और अनुप्रयुक्त अनुसंधान के लिए उपयोगी होती हैं, और कई तकनीकी और औद्योगिक क्षेत्रों में भी जो मौलिक अनुसंधान से संबंधित नहीं होते हैं। [9] यह अनुमान लगाया गया है कि दुनिया भर में लगभग 30,000 त्वरक हैं। इनमें से केवल 1% ही 1जीईवी (GEV) से अधिक ऊर्जा वाली अनुसंधान मशीनें हैं, जबकि लगभग 44% रेडियोथेरेपी के लिए, 41% आयन प्रत्यारोपण के लिए, 9% औद्योगिक प्रसंस्करण और अनुसंधान के लिए, और 4% जैव चिकित्सा और अन्य कम ऊर्जा अनुसंधान के लिए हैं।[10]
कण भौतिकी
पदार्थ, स्थान और समय की गतिशीलता और संरचना में सबसे आधारभूत जांच के लिए, भौतिकशास्री उच्चतम संभव ऊर्जाओं पर सबसे सरल प्रकार के पारस्परिक विचार-विर्मश का प्रयास करते हैं। ये प्रायः कई जीईवी (GEV) की कण ऊर्जा, और सबसे सरल प्रकार के कणों की परस्पर क्रिया- लेप्टन (जैसे इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन) और पदार्थ के लिए क्वार्क, या क्षेत्र क्वांटा के लिए फोटॉन और ग्लून्स को शामिल करते हैं। चूंकि पृथक क्वार्क रंग परिरोध के कारण प्रयोगात्मक रूप से अनुपलब्ध हैं, इसलिए सबसे सरल उपलब्ध प्रयोगों में पहले, लेप्टान की एक दूसरे के साथ, और दूसरी, लेप्टान की न्यूक्लियॉन के साथ परस्पर क्रिया शामिल है, जो क्वार्क और ग्लून्स से बने होते है। एक दूसरे के साथ क्वार्कों के टकराव का अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिक न्यूक्लिऑन्स के टकराव का प्रयोग करते हैं, जो उच्च ऊर्जा पर उपयोगी रूप से क्वार्क और ग्लून्स के 2-निकाय परस्पर क्रिया के रूप में उपयोगी माने जा सकते हैं, जिनसे वे बने हैं। यह प्राथमिक कण भौतिकशास्री इलेक्ट्रॉनों, पॉज़िट्रॉन, प्रोटॉन और एंटीप्रोटोन की किरण बनाने वाली मशीनों का उपयोग करते हैं, जो एक दूसरे के साथ या सबसे सरल नाभिक (जैसे, हाइड्रोजन या ड्यूटेरियम ) के साथ उच्चतम संभव ऊर्जा पर परस्पर क्रिया करते हैं, सामान्यतः सैकड़ों जीईवी (GEV) या अधिक।
प्राथमिक कण भौतिकी के लिए उपयोग किया जाने वाला सबसे बड़ा और उच्चतम-ऊर्जा कण त्वरक सीईआरएन में बड़े हैड्रॉन कोलाइडर एलएचसी (LHC) है, जो 2009 से संचालित है।[11]
परमाणु भौतिकी और समस्थानिक उत्पादन
परमाणु भौतिक विज्ञानी और ब्रह्मांड विज्ञानी अनाच्छादित परमाणु नाभिक की किरण का उपयोग कर सकते हैं, इलेक्ट्रॉनों से वंचित, स्वयं नाभिक की संरचना, अंतःक्रियाओं और गुणों की जांच करने के लिए, और अत्यधिक उच्च तापमान और घनत्व पर संघनित पदार्थ का उपयोग कर सकते हैं, जैसे कि बिग बैंग के पहले क्षणों में हो सकता है। इन जांचों में प्रायः भारी नाभिकों की टक्कर शामिल होती है – लोहे या सोने जैसे परमाणुओं के – कई जीईवी (GEV) प्रति न्यूक्लियॉन की ऊर्जा पर। इस तरह का सबसे बड़ा कण त्वरक ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में रिलेटिविस्टिक भारी आयन कोलाइडर (आरएचआईसी) है।
कण त्वरक प्रोटॉन किरण भी उत्पन्न कर सकते हैं, जो विखंडन प्रतिघातक में बने न्यूट्रॉन-समृद्ध के विपरीत प्रोटॉन-समृद्ध चिकित्सा या अनुसंधान आइसोटोप का उत्पादन कर सकते हैं। हालाँकि, हाल के काम ने दिखाया है कि हाइड्रोजन के त्वरक समस्थानिकों को, प्रायः रिएक्टरों में बने 99 Mo को कैसे बनाया जाता है,[12] हालांकि इस विधि में अभी भी ट्रिटियम का उत्पादन करने के लिए एक रिएक्टर की आवश्यकता होती है। इस प्रकार की मशीन का एक उदाहरण लॉस एलामोस में लैंसे है।
सिंक्रोट्रॉन विकिरण
एक चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से फैलने वाले इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन विकिरण के माध्यम से बहुत उज्ज्वल और सुसंगत फोटॉन किरण का उत्सर्जन करते हैं परमाणु संरचना, रसायन विज्ञान, संघनित पदार्थ भौतिकी, जीव विज्ञान और प्रौद्योगिकी के अध्ययन में इसके कई उपयोग हैं। दुनिया भर में बड़ी संख्या में सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत मौजूद हैं। अमेरिका में उदाहरण एसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला में एसएसआरएल,आर्गोन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में एपीएस, लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला में एएलएस और ब्रुकहेवन [:hi:एसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला]राष्ट्रीय प्रयोगशाला में एनएसएलएस हैं। यूरोप में, लुंड, स्वीडन में मैक्स IV, बर्लिन, जर्मनी में बेसी, ऑक्सफ़ोर्डशायर, यूके में डायमंड, ग्रेनोबल, फ्रांस में ईएसआरएफ हैं, बाद वाले का उपयोग एम्बर में फंसे कीड़ों की विस्तृत 3-आयामी छवियों को निकालने के लिए किया गया है। [13]
फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर (एफईएल) सिंक्रोट्रॉन विकिरण पर आधारित प्रकाश स्रोतों का एक विशेष वर्ग है जो उच्च अस्थायी सुसंगतता के साथ छोटे कंपनों को प्रदान करता है। एक विशेष रूप से डिज़ाइन किया गया एफईएल अवलोकनीय ब्रह्मांड में एक्स-रे का सबसे शानदार स्रोत है। [14] सबसे प्रमुख उदाहरण अमेरिका में एलसीएलएस और जर्मनी में यूरोपीय एक्सएफईएल हैं। मंद एक्स-रे लेज़रों की ओर अधिक ध्यान आकर्षित किया जा रहा है, जो कंपन में कमी के साथ-साथ एटोसेकंड विज्ञान के लिए नए तरीकों को खोलता है।[15] एक्स-रे के अलावा, टेराहर्ट्ज प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए एफईएल का उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए निजमेजेन, नीदरलैंड्स में फेलिक्स, ड्रेसडेन, जर्मनी में टेलबे और नोवोसिबिर्स्क, रूस में नोवोफेल।
इस प्रकार प्रकाश स्रोतों को चलाने के लिए मध्यम (जीईवी (GEV)) ऊर्जा, उच्च तीव्रता और उच्च किरण गुणवत्ता वाले इलेक्ट्रॉन त्वरक की बहुत मांग है।
कम ऊर्जा वाली मशीनें और कण चिकित्सा
कण त्वरक के दैनिक उदाहरण टेलीविजन सेट और एक्स-रे जनरेटर में पाए जाने वाले कैथोड रे नलिका हैं। ये कम-ऊर्जा त्वरक उनके बीच कुछ हज़ार वोल्ट के डीसी वोल्टेज के साथ एकल जोड़ी इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हैं। एक्स-रे जनरेटर में, लक्ष्य स्वयं इलेक्ट्रोड में से एक होता है। कम ऊर्जा वाले कण त्वरक को आयन प्रत्यारोपणकर्ता कहा जाता है जिसका उपयोग एकीकृत सर्किट के निर्माण में किया जाता है।
कम ऊर्जा पर, कैंसर के उपचार के लिए त्वरित नाभिक के पुंजों का उपयोग दवा में कण चिकित्सा के रूप में भी किया जाता है।
परमाणु प्रतिक्रियाओं का कारण बनने के लिए पर्याप्त गति के लिए कणों को तेज करने में सक्षम डीसी त्वरक प्रकार कॉकक्रॉफ्ट-वाल्टन जनरेटर या वोल्टेज गुणक हैं, जो एसी को उच्च वोल्टेज डीसी में परिवर्तित करते हैं, या वैन डी ग्रैफ जनरेटर जो बेल्ट द्वारा ले जाने वाली स्थैतिक बिजली का उपयोग करते हैं।
चिकित्सा उपकरणों का विकिरण विसंक्रमण
इलेक्ट्रॉन किरण प्रसंस्करण सामान्यतः विसंक्रमण के लिए उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रॉन किरण एक चालु-बंद तकनीक है जो कोबाल्ट -60 ( 60 Co) या सीज़ियम -137 ( 137 Cs) जैसे रेडियोआइसोटोप द्वारा उत्सर्जित गामा या एक्स-रे की तुलना में बहुत अधिक मात्रा दर प्रदान करता है। उच्च मात्रा दर के कारण, कम अनावृत्ति समय की आवश्यकता होती है और बहुलक क्षरण कम हो जाता है। चूंकि इलेक्ट्रॉनों में आवेश होता है, इसलिए इलेक्ट्रॉन किरण गामा और एक्स-रे दोनों की तुलना में कम मर्मज्ञ होती हैं। [16]
इलेक्ट्रोस्टैटिक कण त्वरक
ऐतिहासिक रूप से, पहले त्वरक ने आवेशित कणों को गति देने के लिए एकल स्थिर उच्च वोल्टेज की सरल तकनीक का उपयोग किया। आवेशित कण को एक खाली ट्यूब के माध्यम से त्वरित किया गया था, जिसके दोनों ओर एक इलेक्ट्रोड था, जिसके पार स्थिर क्षमता थी। चूंकि कण केवल एक बार संभावित अंतर से गुजरा, इसलिए आउटपुट ऊर्जा मशीन के त्वरित वोल्टेज तक सीमित थी। हालांकि यह विधि आज भी बहुत लोकप्रिय है, इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक किसी भी अन्य प्रकार से बहुत अधिक संख्या में हैं, वे वायु विद्युत-रोधित मशीनों के लिए लगभग 1 एमवी की व्यावहारिक वोल्टेज सीमा या त्वरक के समय 30 एमवी की व्यावहारिक वोल्टेज सीमा के कारण कम ऊर्जा अध्ययन के लिए अधिक उपयुक्त हैं। सल्फर हेक्साफ्लोराइड जैसे उच्च अचालक सामर्थ्य दबाव वाले गैस के टैंक में संचालित होता है। एक अग्रानुक्रम त्वरक में कणों के आवेश को उलट कर, जब वे टर्मिनल के अंदर होते हैं, कणों को गति देने के लिए क्षमता का दो बार उपयोग किया जाता है। यह आयनों (नकारात्मक रूप से आवेशित किए गए आयनों ) का उपयोग करके परमाणु नाभिक के त्वरण के साथ संभव है,और फिर उच्च वोल्टेज टर्मिनल के अंदर आयनों से इलेक्ट्रॉनों को अलग करने के लिए किरण को एक पतली पन्नी के माध्यम से पारित करना, उन्हें धनायनों (सकारात्मक रूप से आवेशित किए गए आयनों) में परिवर्तित करना, जो जैसे ही वे टर्मिनल छोड़ते हैं, फिर से तेज हो जाते हैं।
इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक के दो मुख्य प्रकार हैं कॉक्रॉफ्ट-वाल्टन त्वरक, जो उच्च वोल्टेज का उत्पादन करने के लिए डायोड-संधारित्र वोल्टेज गुणक का उपयोग करता है, और वैन डी ग्रैफ त्वरक, जो उच्च वोल्टेज इलेक्ट्रोड को आवेशित करने के लिए गतिशील तन्तु बेल्ट का उपयोग करता है। यद्यपि इलेक्ट्रोस्टैटिक त्वरक एक सीधी रेखा के साथ कणों को गति देते हैं, रैखिक त्वरक शब्द का उपयोग प्रायः त्वरक के लिए किया जाता है जो स्थैतिक विद्युत क्षेत्रों के स्थान पर दोलन करते हैं।
विद्युत गतिकी (विद्युत चुम्बकीय) कण त्वरक
विद्युत निर्वहन द्वारा लगाए गए उच्च वोल्टेज उच्चतम सीमा के कारण, कणों को उच्च ऊर्जा में गति देने के लिए, स्थिर क्षेत्रों के स्थान पर गतिशील क्षेत्रों को शामिल करने वाली तकनीकों का उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रोडायनामिक त्वरण दो तंत्रों में से किसी एक से उत्पन्न हो सकता है: गैर-गुंजयमान चुंबकीय प्रेरण, या गुंजयमान सर्किट या गुहाएं जो आरएफ क्षेत्रों को दोलन करके उत्तेजित करती हैं। [17] विद्युत गतिकी त्वरक रैखिक हो सकते हैं,कणों के साथ एक सीधी रेखा, या परिपत्र में गति लाने के लिए, चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके साधारणतया गोलाकार कक्षा में कणों को मोड़ना होता है।
चुंबकीय प्रेरण त्वरक
चुंबकीय प्रेरण त्वरक बढ़ते चुंबकीय क्षेत्र से प्रेरण द्वारा कणों को गति देते हैं, जैसे कि कण ट्रांसफॉर्मर में द्वितीयक वक्र थे। बढ़ता चुंबकीय क्षेत्र एक परिसंचारी विद्युत क्षेत्र बनाता है जिसे कणों को गति देने के लिए आकार दिया जा सकता है। प्रेरण त्वरक या तो रैखिक या गोलाकार हो सकते हैं।
रैखिक प्रेरण त्वरक
रैखिक प्रेरण त्वरक फेराइट से भरा हुआ, गैर-अनुनाद प्रेरण गुहाओं का उपयोग करते हैं। प्रत्येक गुहा को बाहरी बेलनाकार नलिका से जुड़े दो बड़े वॉशर-आकार के डिस्क के रूप में माना जा सकता है। डिस्क के बीच एक फेराइट टॉरॉयड होता है। दो डिस्क के बीच लगाया जाने वाला वोल्टेज कंपन बढ़ते चुंबकीय क्षेत्र का कारण बनता है जो आवेशित कण किरण में शक्ति को जोड़ देता है।[18]
रेखीय प्रेरण त्वरक का आविष्कार क्रिस्टोफिलोस ने 1960 के दशक में किया था। [19] रैखिक प्रेरण त्वरक एक छोटे कंपन में बहुत उच्च किरण धाराओं (> 1000 ए) को गति देने में सक्षम हैं। उनका उपयोग दीप्ति रेडियोग्राफी के लिए एक्स-रे उत्पन्न करने के लिए किया गया है, उदाहरण के लिए- लैनली पर डारहट, और चुंबकीय परिरोध संलयन के लिए कण इंजेक्टर और मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर के लिए ड्राइवर के रूप में माना जाता है।
बीटाट्रॉन
बीटाट्रॉन एक गोलाकार चुंबकीय प्रेरण त्वरक है, जिसका आविष्कार डोनाल्ड केर्स्ट ने 1940 में इलेक्ट्रॉनों को गति देने के लिए किया था। यह अवधारणा अंततः नॉर्वेजियन-जर्मन वैज्ञानिक रॉल्फ विडेरो से उत्पन्न हुई है। ये मशीनें, सिंक्रोट्रॉन की तरह, चक्रीय रूप से बढ़ते बी क्षेत्र के साथ एक डोनट के आकार का रिंग चुंबक (नीचे देखें) का उपयोग करती हैं, लेकिन बढ़ते चुंबकीय क्षेत्र से प्रेरण द्वारा कणों को गति प्रदान करती हैं, जैसे कि वे एक ट्रांसफॉर्मर में माध्यमिक घुमावदार थे, के कारण कक्षा के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह को बदलना है। [20] [21]
उचित त्वरित विद्युत क्षेत्र की आपूर्ति करते हुए निरंतर कक्षीय त्रिज्या प्राप्त करने के लिए आवश्यक है कि कक्षा को जोड़ने वाला चुंबकीय प्रवाह कक्षा में चुंबकीय क्षेत्र से कुछ हद तक स्वतंत्र हो, कणों को एक स्थिर त्रिज्या वक्र में झुकाता है। व्यवहार में ये मशीनें अपेक्षाकृत छोटी त्रिज्या की कक्षा में प्रकाश की लगभग गति से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों द्वारासहन की गई बड़ी विकिरण हानियों से सीमित हैं।
रैखिक त्वरक
एक रैखिक कण त्वरक (लिनैक) में, एक छोर पर लाभ के लक्ष्य के साथ कणों को एक सीधी रेखा में त्वरित किया जाता है। वृत्ताकार त्वरक में अंतःक्षेपित करने से पहले उनका उपयोग अक्सर कणों को एक प्रारंभिक कम-ऊर्जा पदाघात प्रदान करने के लिए किया जाता है। विश्व की सबसे लंबी लिनैकस्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक, एसएलएसी है, जो 3 किमी (1.9 मील) लंबा है। एसएलएसी मूल रूप से एक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर था लेकिन अब एक एक्स-रे मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेजर है।
रैखिक उच्च-ऊर्जा त्वरक प्लेटों (या बहाव नलिका) की एक रैखिक सरणी का उपयोग करते हैं, जिसमें एक वैकल्पिक उच्च-ऊर्जा क्षेत्र लागू होता है।जैसे-जैसे कण एक प्लेट के पास पहुंचता हैं, वे प्लेट पर लगाए गए विपरीत ध्रुवता आवेश द्वारा उसकी ओर त्वरित हो जाते हैं। जैसे ही वे प्लेट में एक छेद से गुजरते हैं, ध्रुवता को बदल दिया जाता है ताकि प्लेट अब उन्हें पीछे हटा दे और वे अब इसके द्वारा अगली प्लेट की ओर त्वरित हो जाएं। आम तौर पर कणों के "गुच्छों" की एक धारा तेज हो जाती है, इसलिए प्रत्येक प्लेट के लिए इस प्रक्रिया को लगातार दोहराने के लिए प्रत्येक प्लेट पर सावधानीपूर्वक नियंत्रित एसी वोल्टेज लगाया जाता है।
जैसे-जैसे कण प्रकाश की गति के समीप पहुंचते हैं, विद्युत क्षेत्रों की बदलाव दर इतनी अधिक हो जाती है कि वे रेडियो आवृत्ति पर काम करते हैं, और इसलिए साधारण प्लेटों के स्थान पर उच्च ऊर्जा मशीनों में माइक्रोवेव गुहाओं का उपयोग किया जाता है।
रेडियोथेरेपी और रेडियोसर्जरी के लिए रैखिक त्वरक का व्यापक रूप से दवा में उपयोग किया जाता है। चिकित्सा श्रेणी लिनेक्स एक क्लिस्ट्रॉन और एक जटिल झुकने वाली चुंबक व्यवस्था का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को गति प्रदान करता है जो 6-30 एमईवी ऊर्जा की किरण उत्पन्न करता है। इलेक्ट्रॉनों का सीधे उपयोग किया जा सकता है या उन्हें एक्स-रे की किरण बनाने के लिए लक्ष्य से टकराया जा सकता है। उत्पादित विकिरण किरण की विश्वसनीयता, लचीलेपन और सटीकता ने उपचार उपकरण के रूप में कोबाल्ट -60 चिकित्सा के पुराने उपयोग को काफी हद तक समाप्त कर दिया है।
परिपत्र या चक्रीय आरएफ त्वरक
वृत्ताकार त्वरक में, कण एक वृत्त में तब तक चलते हैं जब तक कि वे पर्याप्त ऊर्जा तक नहीं पहुंच जाते। कण ट्रैक को आमतौर पर विद्युत चुम्बक का उपयोग करके एक वृत्त में घुमाया जाता है। रैखिक त्वरक (लिनैक) पर परिपत्र त्वरक का लाभ यह है कि रिंग सांस्थिति (टोपोलॉजी) निरंतर त्वरण की अनुमति देती है, क्योंकि कण अनिश्चित काल तक पारगमन कर सकता है। एक अन्य लाभ यह है कि गोलाकार त्वरक तुलनीय शक्ति के रैखिक त्वरक से छोटा होता है (यानी एक गोलाकार त्वरक की समकक्ष शक्ति रखने के लिए एक लिनैक को बहुत लंबा होना चाहिए)।
ऊर्जा और कण के त्वरित होने के आधार पर, परिपत्र त्वरक को नुकसान होता है क्योंकि कण सिंक्रोट्रॉन विकिरण का उत्सर्जन करते हैं। जब किसी आवेशित कण को त्वरित किया जाता है, तो यह विद्युत चुम्बकीय विकिरण और द्वितीयक उत्सर्जन का उत्सर्जन करता है। जैसे एक वृत्त में यात्रा करने वाला कण हमेशा वृत्त के केंद्र की ओर गति करता है, यह लगातार वृत्त की स्पर्शरेखा की ओर विकिरण करता है। इस विकिरण को सिंक्रोट्रॉन प्रकाश कहा जाता है और यह त्वरक कण के द्रव्यमान पर अत्यधिक निर्भर करता है। इस कारण से, कई उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन त्वरक लिनैक हैं। हालांकि कुछ त्वरक ( सिंक्रोट्रॉन ) विशेष रूप से सिंक्रोट्रॉन प्रकाश ( एक्स-रे ) के उत्पादन के लिए बनाए गए हैं।
चूंकि सापेक्षता के विशेष सिद्धांत की आवश्यकता है कि पदार्थ हमेशा निर्वात में प्रकाश की गति से धीमी गति से यात्रा करता है, उच्च-ऊर्जा त्वरक में, जैसे-जैसे ऊर्जा बढ़ती है, कण गति एक सीमा के रूप में प्रकाश की गति तक पहुंचती है, लेकिन इसे कभी प्राप्त नहीं करती है। इसलिए, कण भौतिक विज्ञानी आमतौर पर गति के संदर्भ में नहीं सोचते हैं, बल्कि कण की ऊर्जा या गति के संदर्भ में, आमतौर पर इलेक्ट्रॉन वोल्ट (ईवी) में मापा जाता है। वृत्ताकार त्वरक और सामान्य रूप से कण किरण के लिए एक महत्वपूर्ण सिद्धांत यह है कि कण प्रक्षेपवक्र की वक्रता कण आवेश और चुंबकीय क्षेत्र के समानुपाती होती है, लेकिन (आमतौर पर सापेक्षतावादी ) गति के व्युत्क्रमानुपाती होती है।
साइक्लोट्रॉन
1929 में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले में अर्नेस्ट लॉरेंस द्वारा आविष्कार किए गए सबसे पहले परिचालन परिपत्र त्वरक साइक्लोट्रॉन थे। साइक्लोट्रॉन में कणों को तेज करने के लिए खोखले "डी" आकार की प्लेटों की एक जोड़ी होती है और एक बड़ा द्विध्रुवीय चुंबक एक गोलाकार कक्षा में अपना रास्ता मोड़ने के लिए होता है। यह एक समान और स्थिर चुंबकीय क्षेत्र बी में आवेशित कणों की एक विशेषता है कि वे एक स्थिर अवधि के साथ परिक्रमा करते हैं, एक आवृत्ति पर जिसे साइक्लोट्रॉन आवृत्ति कहा जाता है, जब तक कि उनकी गति प्रकाश की गति की तुलना में छोटी होती है। इसका मतलब यह है कि एक साइक्लोट्रॉन के त्वरित डी को एक रेडियो आवृत्ति (आरएफ) द्वारा स्थिर आवृत्ति पर संचालित किया जा सकता है, जो शक्ति स्रोत को तेज करता है, क्योंकि किरण सर्पिल लगातार बाहर की ओर जाता है। कणों को चुंबक के केंद्र में अंतःक्षिप्त किया जाता है और बाहरी किनारे पर उनकी अधिकतम ऊर्जा पर निकाला जाता है।
सापेक्षतावादी प्रभावों के कारण साइक्लोट्रॉन एक ऊर्जा सीमा तक पहुँच जाते हैं जिससे कण प्रभावी रूप से अधिक विशाल हो जाते हैं, जिससे कि उनकी साइक्लोट्रॉन आवृत्ति त्वरित आरएफ के साथ समकालीन से बाहर हो जाती है। इसलिए, साधारण साइक्लोट्रॉन केवल लगभग 15 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट(15 एमईवी, लगभग 10% सी की गति के अनुरूप) की ऊर्जा में प्रोटॉन को गति दे सकते हैं, क्योंकि प्रोटॉन मुख्य विद्युत क्षेत्र के साथ चरण से बाहर हो जाते हैं। यदि और तेज किया जाता है, तो किरण एक बड़े त्रिज्या के लिए बाहर की ओर सर्पिल होता रहेगा लेकिन कण अब बड़े वृत्त को त्वरित आरएफ के साथ पद में पूरा करने के लिए पर्याप्त गति प्राप्त नहीं करेंगे। सापेक्षतावादी प्रभावों को समायोजित करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र को उच्च त्रिज्या तक बढ़ाने की आवश्यकता है जैसा कि आइसोक्रोनस साइक्लोट्रॉन में किया जाता है। एक समकालिक साइक्लोट्रॉन का एक उदाहरण स्विट्जरलैंड में पीएसआई रिंग साइक्लोट्रॉन है, जो 590 एमईवी की ऊर्जा पर प्रोटॉन प्रदान करता है और जो प्रकाश की गति का लगभग 80% समान होती है। इस तरह के एक साइक्लोट्रॉन का लाभ अधिकतम प्राप्त करने योग्य निकाले गए प्रोटॉन विद्युत है जो वर्तमान में 2.2 एमए है। ऊर्जा और धारा 1.3 मेगावाट किरण शक्ति के अनुरूप है जो वर्तमान में मौजूद किसी भी त्वरक का उच्चतम होता है।
सिंक्रोसायक्लोट्रॉन और समकालिक साइक्लोट्रॉन
एक क्लासिक साइक्लोट्रॉन को उसकी ऊर्जा सीमा बढ़ाने के लिए संशोधित किया जा सकता है। ऐतिहासिक रूप से पहले प्रवेश सिंक्रोसायक्लोट्रॉन था, जो गुच्छों में कणों गति प्रदान करता है। यह एक स्थिर चुंबकीय क्षेत्र बी का उपयोग करता है। लेकिन त्वरित क्षेत्र की आवृत्ति को कम कर देता है ताकि कणों को चरण में रखा जा सके क्योंकि वे अपने द्रव्यमान-निर्भर साइक्लोट्रॉन अनुनाद आवृत्ति से मेल खाते हैं। यह प्रस्ताव गुच्छों के कारण कम औसत किरण तीव्रता से ग्रस्त है, और फिर उच्च ऊर्जा द्वारा मांग की गई बड़ी कक्षा पर बड़े त्रिज्या और स्थिर क्षेत्र के विशाल चुंबक की आवश्यकता से ग्रस्त है।
सापेक्षतावादी कणों को तेज करने की समस्या का दूसरा तरीका समकालिक साइक्लोट्रॉन है। ऐसी संरचना में, चुंबकीय ध्रुवों को आकार देकर सभी ऊर्जाओं के लिए त्वरित क्षेत्र की आवृत्ति (और साइक्लोट्रॉन अनुनाद आवृत्ति) को स्थिर रखा जाता है ताकि त्रिज्या के साथ चुंबकीय क्षेत्र को बढ़ाया जा सके। इस प्रकार, सभी कण समकालिक समय अंतराल में त्वरित हो जाते हैं। उच्च ऊर्जा कण प्रत्येक कक्षा में एक श्रेष्ठ साइक्लोट्रॉन की तुलना में कम दूरी की यात्रा करते हैं, इस प्रकार त्वरित क्षेत्र के साथ चरण में रहते हैं। समकालिक साइक्लोट्रॉन का लाभ यह है कि यह उच्च औसत तीव्रता के निरंतर किरण प्रदान कर सकता है, जो कुछ अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी है। इसका मुख्य नुकसान यह है कि इसमें बड़े आकार के चुंबक और लागत की आवश्यकता होती है, और संरचना के बाहरी किनारे पर आवश्यक उच्च चुंबकीय क्षेत्र मानो को प्राप्त करने में कठिनाई होती है।
समकालिक साइक्लोट्रॉन विकसित होने के बाद से सिंक्रोसायक्लोट्रॉन का निर्माण नहीं किया गया है।
सिंक्रोट्रॉन
अभी भी उच्च ऊर्जा तक पहुँचने के लिए, सापेक्षतावादी द्रव्यमान कणों के अन्य द्रव्यमान (प्रोटॉन, अरबों इलेक्ट्रॉन वोल्ट या जीईवी (GEV) के लिए) के समीप आने वाले या उससे अधिक होने के साथ, एक सिंक्रोट्रॉन का उपयोग करना आवश्यक है। यह एक त्वरक है जिसमें कणों को निरंतर त्रिज्या के वलय में त्वरित किया जाता है। साइक्लोट्रॉन पर एक तात्कालिक लाभ यह है कि चुंबकीय क्षेत्र केवल कण कक्षाओं के वास्तविक क्षेत्र में मौजूद होना चाहिए, जो कि वलय की तुलना में बहुत संकरा होता है। (अमेरिका में निर्मित सबसे बड़े साइक्लोट्रॉन में 184-इंच-व्यास (4.7 मीटर) चुंबक ध्रुव था, जबकि एलईपी और एलएचसी जैसे सिंक्रोट्रॉन का व्यास लगभग 10 किमी है। एलएचसी के दो किरणों का द्वारक एक सेंटीमीटर का क्रम होता है।) एलएचसी में 16 आरएफ गुहाएं, किरण परिचालन के लिए 1232 अतिचालक द्विध्रुवीय चुंबक और किरण केन्द्रित करने के लिए 24 चौगुनी होती हैं।[22] इस आकार में भी, एलएचसी कणों को बिना बहाव के चलाने की अपनी क्षमता से सीमित होती है। यह सीमा 14 टीईवी (TEV) पर होने का सिद्धांत है। [23]
हालांकि, चूंकि त्वरण के दौरान कण गति बढ़ जाती है, इसलिए कक्षा की निरंतर वक्रता बनाए रखने के लिए चुंबकीय क्षेत्र बी को अनुपात में बदलना आवश्यक होता है। नतीजतन, सिंक्रोट्रॉन लगातार कणों को तेज नहीं कर सकते हैं, जैसा कि साइक्लोट्रॉन कर सकते हैं, लेकिन चक्रीय रूप से संचालित होना चाहिए, गुच्छों में कणों की आपूर्ति करना चाहिए, जो कि एक लक्ष्य या किरण "स्पिल" में बाहरी किरण को आमतौर पर हर कुछ सेकंड में वितरित किया जाता है।
चूंकि उच्च ऊर्जा वाले सिंक्रोट्रॉन अपना अधिकांश काम उन कणों पर करते हैं जो पहले से ही लगभग प्रकाश सी की गति से यात्रा कर रहे हैं, रिंग की एक कक्षा को पूरा करने का समय लगभग स्थिर होता है, जैसा कि त्वरण को चलाने के लिए उपयोग किए जाने वाले आरएफ गुहा अनुनादक की आवृत्ति होती है।
आधुनिक सिंक्रोट्रॉन में, किरण द्वारक छोटा होता है और चुंबकीय क्षेत्र कण कक्षा के पूरे क्षेत्र को आच्छादित नहीं करता है जैसा कि यह एक साइक्लोट्रॉन के लिए करता है, इसलिए कई आवश्यक कार्यों को अलग किया जा सकता है। एक विशाल चुंबक केस्थान पर, एक में सैकड़ों मुड़ने वाले चुम्बकों की एक पंक्ति होती है, जो निर्वात सम्बद्ध पाइपो को संलग्न करती है।1 9 501950 के दशक की शुरुआत में मजबूत केन्द्रित करने की अवधारणा की खोज के साथ सिंक्रोट्रॉन के डिजाइन में क्रांति आ गई थी। [24] [25] [26] किरण के फोकस कोविशेष चौगुनी चुम्बकों द्वारा स्वतंत्र रूप से नियंत्रित किया जाता है, जबकि त्वरण स्वयं को अलग-अलग आरएफ खंडों में पूरा करता है, न कि छोटे रैखिक त्वरक के समान करता है। [27] इसके अलावा, कोई आवश्यकता नहीं है कि चक्रीय मशीनें गोलाकार हों, बल्कि किरण पाइप में चुम्बकों के बीच सीधे खंड हो सकते हैं जहाँ बीम टकरा सकते हैं, ठंडा हो सकते हैं, आदि। यह एक संपूर्ण अलग विषय के रूप में विकसित हुआ है, जिसे "किरण भौतिकी" या "किरण प्रकाशिकी" कहा जाता है। [28]
अधिक जटिल आधुनिक सिंक्रोट्रॉन जैसे कि टेवेट्रॉन, एलईपी, और एलएचसी कण गुच्छों को एक स्थिर चुंबकीय क्षेत्र के साथ मैग्नेट के भंडारण के छल्ले में वितरित कर सकते हैं, जहां वे प्रयोग या आगे त्वरण के लिए लंबी अवधि के लिए कक्षा में जारी रख सकते हैं। टेवेट्रॉन और एलएचसी जैसी उच्चतम-ऊर्जा मशीनें वास्तव में त्वरक परिसर हैं, श्रृंखला में विशेष तत्वों की एक व्यवस्था के साथ, प्रारंभिक किरण निर्माण के लिए रैखिक त्वरक सहित, मध्यवर्ती ऊर्जा तक पहुंचने के लिए एक या अधिक कम ऊर्जा सिंक्रोट्रॉन, भंडारण के छल्ले जहां किरण हो सकते हैं संचित या "ठंडा" (आवश्यक चुंबक छिद्र को कम करना और सख्त ध्यान केंद्रित करने की अनुमति देना; बीम कूलिंग देखें), और अंतिम त्वरण और प्रयोग के लिए एक अंतिम बड़ी रिंग है।
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इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन
सर्कुलर इलेक्ट्रॉन त्वरक उस समय कण भौतिकी के पक्ष में कुछ हद तक गिर गए जब एसएलएसी के रैखिक कण त्वरक का निर्माण किया गया था, क्योंकि उनके सिंक्रोट्रॉन नुकसान को आर्थिक रूप से निषिद्ध माना जाता था और क्योंकि उनकी किरण तीव्रता अनपेक्षित रैखिक मशीनों की तुलना में कम थी। 1970 के दशक के अंत में कम लागत पर बनाया गया कॉर्नेल इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन, मौलिक कण भौतिकी के लिए निर्मित उच्च-ऊर्जा परिपत्र इलेक्ट्रॉन त्वरक की श्रृंखला में पहला था, अंतिम एलईपी था, जिसे सर्न में बनाया गया था, जिसका उपयोग 1989 से 2000 तक किया गया था।
पिछले दो दशकों में बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन बनाए गए हैं, जो सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोतों के हिस्से के रूप में हैं और जो पराबैंगनी प्रकाश और एक्स किरणों का उत्सर्जन करते हैं, नीचे देखें।
भंडारण के छल्ले
कुछ अनुप्रयोगों के लिए, उच्च ऊर्जा कणों की किरण को कुछ समय के लिए (आधुनिक उच्च निर्वात तकनीक के साथ, कई घंटों तक) बिना किसी त्वरण के स्टोर करना उपयोगी होता है। यह टकराने वाले बीम त्वरक के लिए विशेष रूप से सच है, जिसमें विपरीत दिशाओं में चलने वाले दो बीम प्रभावी टक्कर ऊर्जा में एक बड़े लाभ के साथ एक दूसरे से टकराने के लिए बने होते हैं। चूंकि दो किरणों के प्रतिच्छेदन बिंदु के माध्यम से प्रत्येक मार्ग पर अपेक्षाकृत कम टकराव होते हैं, यह पहले बीम को वांछित ऊर्जा में तेजी लाने के लिए प्रथागत होते है,और फिर उन्हें भंडारण के छल्ले में संग्रहीत किया जाता है, जो अनिवार्य रूप से चुंबक के सिंक्रोट्रॉन छल्ले होते हैं, जिनमें कोई महत्वपूर्ण आरएफ नहीं होता त्वरण की शक्ति के लिए।
सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत
कुछ परिपत्र त्वरक जानबूझकर विकिरण उत्पन्न करने के लिए बनाए गए हैं (जिसे सिंक्रोट्रॉन प्रकाश कहा जाता है) क्योंकि एक्स-रे को सिंक्रोट्रॉन विकिरण भी कहा जाता है, उदाहरण के लिए डायमंड लाइट स्रोत जिसे इंग्लैंड में रदरफोर्ड एपलटन प्रयोगशाला में बनाया गया था या अर्गोन नेशनल लेबोरेटरी में उन्नत फोटॉन स्रोत इलिनोइस, यूएसए में। उच्च-ऊर्जा एक्स-रे प्रोटीन के एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी या एक्स-रे अवशोषण ठीक संरचना (एक्सएएफएस) के लिए उपयोगी होते हैं।
हल्के कणों द्वारा सिंक्रोट्रॉन विकिरण अधिक शक्तिशाली रूप से उत्सर्जित होता है, इसलिए ये त्वरक हमेशा इलेक्ट्रॉन त्वरक होते हैं। एसएलएसी के स्पीयर में शोध और विकास के रूप में सिंक्रोट्रॉन विकिरण बेहतर इमेजिंग की अनुमति देता है।
स्थायी-क्षेत्र परिवर्तनशील प्रवणता त्वरक
स्थायी-क्षेत्र परिवर्तनशील प्रवणता त्वरक (एफएफए) , जिसमें एक चुंबकीय क्षेत्र जो समय में तय होता है, लेकिन मजबूत फोकस प्राप्त करने के लिए दीप्तिमान भिन्नता के साथ,किरण को उच्च पुनरावृत्ति दर के साथ त्वरित करने की अनुमति देता है लेकिन बहुत छोटे दीप्तिमान फैलाव में साइक्लोट्रॉन मामले की तुलना में। समकालिक एफएफए, समकालिक साइक्लोट्रॉन की तरह, निरंतर किरण संचालन को प्राप्त करते हैं, लेकिन कक्षाओं की पूरी त्रिज्या को आवरण करने वाले एक विशाल द्विध्रुवीय मुड़ने वाले चुंबक की आवश्यकता के बिना। एफएफए में कुछ नए विकास शामिल हैं।
इतिहास
अर्नेस्ट लॉरेंस का पहला साइक्लोट्रॉन केवल 4 इंच (100 मिमी) व्यास का था। बाद में, 1939 में, उन्होंने 60-इंच व्यास के ध्रुव सम्मुख के साथ एक मशीन का निर्माण किया, और 1942 में 184-इंच व्यास के साथ एक की योजना बनाई, जिसे, हालांकि, यूरेनियम आइसोटोप पृथक्करण से जुड़े द्वितीय विश्व युद्ध से संबंधित कार्य के लिए ले लिया गया था, युद्ध के बाद यह कई वर्षों तक अनुसंधान और चिकित्सा के लिए सेवा में रहा।
पहला बड़ा प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला में कॉस्मोट्रॉन था, जिसने प्रोटॉन को लगभग 3 जीईवी (1953-1968) तक बढ़ा दिया था। बर्कले में बेवाट्रॉन, 1954 में पूरा हुआ, विशेष रूप से एंटीप्रोटोन बनाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा के लिए प्रोटॉन को गति प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, और प्रकृति के कण-विरूद्धकण समरूपता को सत्यापित किया गया था, फिर केवल सिद्धांतित किया गया था। ब्रुकहैवन (1960-) में परिवर्तनशील प्रवणता सिंक्रोट्रॉन (AGS) बारी-बारी से ढाल, "मजबूत फ़ोकसिंग" चुंबक वाला पहला बड़ा सिंक्रोट्रॉन था, जिसने किरण के आवश्यक द्वारक को बहुत कम कर दिया, और तदनुसार झुकने वाले चुंबक के आकार और लागत को कम कर दिया था। सर्न (1959) में निर्मित प्रोटॉन सिंक्रोट्रॉन, पहला प्रमुख यूरोपीय कण त्वरक था और आम तौर पर एजीएस के समान था।
स्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक, एसएलएसी, 1966 में परिचालित हो गया था, एक 3 किमी लंबी वेवगाइड में इलेक्ट्रॉनों को 30 जीईवी तक तेज कर दिया, तथा सुरंग में गाढ़ दिया गया और सैकड़ों बड़े क्लिस्ट्रॉन द्वारा संचालित किया गया। यह अभी भी अस्तित्व में सबसे बड़ा रैखिक त्वरक है, और इसे भंडारण के छल्ले और एक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर सुविधा के साथ उन्नत किया गया है। यह एक एक्स-रे और यूवी सिंक्रोट्रॉन फोटॉन स्रोत भी है।
फर्मिलैब टेवाट्रोन में 4 मील (6.4 किमी) के बीम पथ के साथ एक छल्ला है। इसे कई उन्नयन प्राप्त हुए हैं, और 30 सितंबर, 2011 को बजट कटौती के कारण इसे बंद होने तक प्रोटॉन-एंटीप्रोटॉन कोलाइडर के रूप में कार्य किया है। अब तक बनाया गया सबसे बड़ा परिपत्र त्वरक सर्न में 26.6 किलोमीटर की परिधि के साथ एलईपी सिंक्रोट्रॉन था, जो एक इलेक्ट्रॉन/पॉज़िट्रॉन कोलाइडर था। 2000 में ध्वस्त होने से पहले इसने 209 जीईवी की ऊर्जा हासिल की ताकि सुरंग का इस्तेमाल लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर एलएचसी (LHC) के लिए किया जा सके। एलएचसी एक प्रोटॉन कोलाइडर है, और वर्तमान में दुनिया का सबसे बड़ा और उच्चतम-ऊर्जा त्वरक है, जो प्रति किरण 6.5 टीईवी (TEV) ऊर्जा (कुल 13 टीईवी (TEV)) प्राप्त करता है।
टेक्सास में निरस्त अतिचालक सुपर कोलाइडर (एसएससी) निर्माण 1991 में शुरू किया गया था, लेकिन 1993 में छोड़ दिया गया था। सतह पर इस तरह की संरचना के निर्माण के व्यवधान और लागत को कम करने और तीव्र माध्यमिक विकिरणों के खिलाफ परिरक्षण प्रदान करने के लिए कुछ मीटर चौड़ी सुरंगों में बहुत बड़े गोलाकार त्वरक बनाए जाते हैं, जो उच्च ऊर्जाओं में अत्यंत भेदक होते हैं।
वर्तमान त्वरक जैसे स्पैलेशन न्यूट्रॉन स्रोत, अतिचालक क्रायोमोड्यूल्स को शामिल करते हैं। सापेक्षकीय भारी आयन कोलाइडर, और बड़े हैड्रॉन कोलाइडर भी कणों को गति देनेके लिए अतिचालक चुंबक और आरएफ गुहा अनुनादक का उपयोग करते हैं।
लक्ष्य
एक कण त्वरक का उत्पादन आम तौर पर एक विचलित विद्युत चुंबक के माध्यम से प्रयोगों की कई पंक्तियों की ओर निर्देशित किया जा सकता है, एक निश्चित समय में। यह चीजों को इधर-उधर करने या संपूर्ण त्वरक किरण को बंद किए बिना कई प्रयोगों को संचालित करना संभव बनाता है। सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोतों को छोड़कर, एक त्वरक का उद्देश्य पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया के लिए उच्च-ऊर्जा कण उत्पन्न करना है।
यह आमतौर पर एक निश्चित लक्ष्य होता है, जैसे टेलीविजन नलिका के मामले में पटल के पीछे संदीपक आवरण, न्यूट्रॉन स्रोत के रूप में डिज़ाइन किए गए त्वरक में यूरेनियम का एक टुकड़ा या एक्स-रे जनरेटर के लिए टंगस्टन लक्ष्य। एक लिनाक में, लक्ष्य को केवल त्वरक के अंत में फिट किया जाता है। एक साइक्लोट्रॉन में कण ट्रैक सर्कुलर मशीन के केंद्र से बाहर की ओर एक सर्पिल होता है, इसलिए त्वरित कण एक निश्चित बिंदु से एक रैखिक त्वरक के रूप में निकलते हैं।
सिंक्रोट्रॉन के लिए, स्थिति अधिक जटिल है। कणों को वांछित ऊर्जा में त्वरित किया जाता है। फिर, एक तेजी से अभिनय करने वाले द्विध्रुवीय चुंबक का उपयोग कणों को वृत्ताकार सिंक्रोट्रॉन नलिका से बाहर और लक्ष्य की ओर ले जाने के लिए किया जाता है।
कण भौतिकी अनुसंधान के लिए आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली भिन्नता एक कोलाइडर है, जिसे संचयन रिंग कोलाइडर भी कहा जाता है। दो गोलाकार सिंक्रोट्रॉन निकट में निर्मित होते हैं – आमतौर पर एक दूसरे के ऊपर और एक ही चुम्बक का उपयोग करते हुए (जो तब दोनों किरण नलिका को समायोजित करने के लिए अधिक जटिल डिजाइन के होते हैं)। कणों का गुच्छा दो त्वरक के चारों ओर विपरीत दिशाओं में यात्रा करता हैं और उनके बीच के प्रतिच्छेदन पर टकराते हैं। यह ऊर्जा को काफी बढ़ा सकता है जबकि एक निश्चित-लक्ष्य प्रयोग में नए कणों को उत्पन्न करने के लिए उपलब्ध ऊर्जा किरण ऊर्जा के वर्गमूल के समानुपाती होती है, एक कोलाइडर में उपलब्ध ऊर्जा रैखिक होती है।
डिटेक्टरों
उच्चतम ऊर्जा
वर्तमान में उच्चतम ऊर्जा त्वरक सभी गोलाकार कोलाइडर हैं, लेकिन हैड्रॉन त्वरक और इलेक्ट्रॉन त्वरक दोनों सीमा में चल रहे हैं। उच्च ऊर्जा हैड्रॉन और आयन चक्रीय त्वरक को बढ़ी हुई किरण कठोरता के कारण बड़े भौतिक आकार के त्वरक सुरंगों की आवश्यकता होगी।
चक्रीय इलेक्ट्रॉन त्वरक के लिए, व्यावहारिक मोड़ त्रिज्या पर एक सीमा सिंक्रोट्रॉन विकिरण हानियों द्वारा रखी जाती है और अगली पीढ़ी शायद वर्तमान लंबाई से 10 गुना रैखिक त्वरक होगी। ऐसी अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉन त्वरक का एक उदाहरण प्रस्तावित 40 किमी लंबा अंतर्राष्ट्रीय रैखिक कोलाइडर है।
ऐसा माना जाता है कि इलेक्ट्रॉन-किरण "आफ्टरबर्नर" और स्टैंडअलोन लेजर पल्सर के रूप में प्लाज्मा वेकफील्ड त्वरण दो से तीन दशकों के भीतर आरएफ त्वरक पर दक्षता में नाटकीय वृद्धि प्रदान करने में सक्षम हो सकता है। प्लाज्मा वेकफील्ड त्वरक में, किरण गुहा एक प्लाविका (निर्वात के स्थान पर) से भरा होता है। इलेक्ट्रॉनों या लेजर प्रकाश की एक छोटी नाड़ी या तो त्वरित कणों का गठन करती है या तुरंत पहले होती है। नाड़ी प्लाविका को बाधित करती है, जिससे प्लाविका में आवेशित कण एकीकृत हो जाते हैं और उन कणों के समूह के पीछे की ओर बढ़ जाते हैं जिन्हें त्वरित किया जा रहा है। यह प्रक्रिया ऊर्जा को कण गुच्छा में स्थानांतरित करती है, इसे और तेज करती है, और तब तक जारी रहती है जब तक नाड़ी सुसंगत है। [29]
लेजर पल्सर [30] का उपयोग करके मिलीमीटर-पैमाने की दूरी पर 200 जीईवी/एम जितनी तीव्र ऊर्जा प्रवणताएँ प्राप्त की गई हैं[31] और 1 जीईवी/एम तक पहुँचने वाली प्रवणता को इलेक्ट्रॉन-किरण प्रणालियों के साथ बहु-सेंटीमीटर-पैमाने पर उत्पादित किया जा रहा है, इसके विपरीत अकेले रेडियो-आवृत्ति त्वरण के लिए लगभग 0.1 जीईवी/एम की सीमा। एसएलएसी जैसे मौजूदा इलेक्ट्रॉन त्वरक बीम की तीव्रता की कीमत पर, अपने कण बीम की ऊर्जा को बढ़ाने के लिए इलेक्ट्रॉन-किरण आफ्टरबर्नर का उपयोग कर सकते हैं। आम तौर पर इलेक्ट्रॉन सिस्टम कसकर समेकित, विश्वसनीय किरण प्रदान कर सकते हैं लेजर सिस्टम अधिक शक्ति और सुसंहिति प्रदान कर सकते हैं। इस प्रकार, प्लाविका वेकफील्ड त्वरक का उपयोग किया जा सकता है, यदि तकनीकी मुद्दों को हल किया जा सकता है - दोनों सबसे बड़े त्वरक की अधिकतम ऊर्जा बढ़ाने और विश्वविद्यालय प्रयोगशालाओं और चिकित्सा केंद्रों में उच्च ऊर्जा लाने के लिए।
एक अचालक लेजर त्वरक द्वारा 0.25 जीईवी/एम से अधिक प्रवणता प्राप्त की गई हैं,[31] जो सघन उच्च-ऊर्जा त्वरक के निर्माण के लिए एक और व्यवहार्य दृष्टिकोण प्रस्तुत कर सकता है।[32] फेमटोसेकंड अवधि के लेजर कंपन का उपयोग करते हुए, अचालक लेजर त्वरक के लिए एक इलेक्ट्रॉन त्वरक ढाल 0.69 जीईवी/एम दर्ज किया गया था।[33] आगे के अनुकूलन के बाद 1 से 6 जीईवी/एम के क्रम के उच्च प्रवणताओं का अनुमान है।[34]
ब्लैक होल उत्पादन और सार्वजनिक सुरक्षा चिंताएँ
भविष्य में, उच्चतम ऊर्जा त्वरक पर ब्लैक होल के उत्पादन की संभावना उत्पन्न हो सकती है यदि सुपरस्ट्रिंग सिद्धांत की कुछ भविष्यवाणियां सटीक हों। [35] [36] इस और अन्य संभावनाओं ने सार्वजनिक सुरक्षा चिंताओं को जन्म दिया है जो कि एलएचसी के संबंध में व्यापक रूप से रिपोर्ट की गई है, जिसने 2008 में संचालन प्रारंभ किया था। विभिन्न संभावित खतरनाक परिदृश्यों का मूल्यांकन नवीनतम जोखिम मूल्यांकन में "कोई बोधगम्य खतरा नहीं" पेश करने के रूप में किया गया है। एलएचसी सुरक्षा आकलन समूह।[37] यदि ब्लैक होल उत्पन्न होते हैं, तो सैद्धांतिक रूप से यह भविष्यवाणी की जाती है कि ऐसे छोटे ब्लैक होल बेकेनस्टीन-हॉकिंग विकिरण के माध्यम से बहुत तेज़ी से वाष्पित हो जाएंगे, लेकिन जो अभी तक प्रयोगात्मक रूप से अपुष्ट है। यदि कोलाइडर ब्लैक होल उत्पन्न कर सकते हैं, तो कॉस्मिक किरणें (और विशेष रूप से अल्ट्रा-हाई-एनर्जी कॉस्मिक किरणें, यूएचईसीआर) उन्हें युगो से उत्पन्न कर रही होंगी, लेकिन उन्होंने अभी तक किसी को नुकसान नहीं पहुंचाया है। [38] यह तर्क दिया गया है कि ऊर्जा और गति के संरक्षण के लिए, यूएचईसीआर और स्थानीय पदार्थ के बीच टकराव में बनाए गए किसी भी ब्लैक होल को पृथ्वी के संबंध में सापेक्ष गति से आगे बढ़ते हुए उत्पादित किया जाएगा, और अंतरिक्ष में बच जाना चाहिए, क्योंकि उनकी वृद्धि और विकास दर को बहुत धीमा होना चाहिए, जबकि कोलाइडर (समान द्रव्यमान के घटकों के साथ) में उत्पन्न ब्लैक होल में पृथ्वी से बचने के वेग से कम वेग होने की कुछ संभावना होगी, 11.2 किमी प्रति सेकंड, और कब्जा करने और बाद में विकास के लिए उत्तरदायी होगा। फिर भी ऐसे परिदृश्यों पर भी सफेद वामनोंऔर न्यूट्रॉन सितारों के साथ यूएचईसीआर के टकराव से उनका तेजी से विनाश होगा, लेकिन इन निकायों को सामान्य खगोलीय पिंडों के रूप में देखा जाता है। इस प्रकार यदि स्थिर सूक्ष्म ब्लैक होल का उत्पादन किया जाना चाहिए, तो उन्हें सौर मंडल के प्राकृतिक जीवनकाल में किसी भी ध्यान देने योग्य मैक्रोस्कोपिक प्रभाव पैदा करने के लिए बहुत धीमी गति से बढ़ना चाहिए। [37]
त्वरक ऑपरेटर
अतिचालकता, क्रायोजेनिक्स,और उच्च शक्ति वाले रेडियोफ्रीक्वेंसी एम्पलीफायरों के साथ-साथ आयनकारी विकिरण की उपस्थिति जैसी उन्नत तकनीकों का उपयोग, त्वरक सुविधाओं के सुरक्षित संचालन के लिए चुनौतियों का सामना करता है।[39] [40] एक त्वरक ऑपरेटर एक कण त्वरक के संचालन को नियंत्रित करता है, ऑपरेटिंग मापदंडों जैसे कि अभिमुखता अनुपात, वर्तमान तीव्रता और लक्ष्य पर स्थिति को समायोजित करता है। वे निर्वात चुम्बक, चुंबकीय और रेडियोआवृत्ति बिजली की आपूर्ति और नियंत्रण, और शीतलन प्रणाली जैसे समर्थन प्रणालियों की तैयारी सुनिश्चित करने के लिए त्वरक रखरखाव कर्मियों के साथ संवाद और सहायता करते हैं। इसके अतिरिक्त, त्वरक ऑपरेटर त्वरक से संबंधित घटनाओं का रिकॉर्ड रखता है।
यह सभी देखें
- त्वरक भौतिकी
- परमाणु स्मैशर (बहुविकल्पी)
- सघन रैखिक कोलाइडर
- अचालक दीवार त्वरक
- आगामी परिपत्र कोलाइडर
- अंतर्राष्ट्रीय रैखिक कोलाइडर
- रैखिक कण त्वरक
- कण भौतिकी में त्वरक की सूची
- गति संघनन
- परमाणु रूपांतरण
- रॉल्फ वाइडर
- अतिचालक उत्कृष्ट कोलाइडर
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